風力發電系統電氣控制設計_風電畢業論文(已修改)

　

【正文】 0 畢業論文 風力發電系統電氣控制設計 摘要 風力發電系統 電氣 控制 技術是風力發電在控制領域的關鍵技術。 風力發電機組控制系統工作的安全可靠性已成為風力發電系統能否發揮作用，甚至成為風電場長期安全可靠運行的重大問題。在實際應用過程中，尤其是一般風力發電機組控制與檢測系統中 ,控制系統滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的。往往不是控制系統功能而是它的可靠性直接影響風力發電機組的聲譽。有的風力發電機組控制系統的功能很強 ,但由于工作不可靠 ,經常出故障 ,而出現故障后對一般用戶來說維修又十分困難，于是這樣一套控制系統可能發揮 不了它應有的作用。因此對于一個風力發電機組控制系統的設計和使用者來說 ,系統的安全可靠性必須認真加以考慮 ,必須引起足夠的重視。 我們的目的是希望通過控制系統的設計，采取必要的手段使我們的系統在規定的時間內不出故障或少出故障，并且在出故障之后能夠以最快的速度修復系統 ,使之恢復正常工作。 關鍵詞 ： 風力發電的基本原理 ； 風力發電機的基礎理論 ； 風力發電控制系統 ； 風輪機的氣動特性 ； 變槳距控制系統 。 1 1 緒論 國內外風力發電的現狀與發展趨勢 風能屬于可再生能源，具有取 之不盡、用之不竭、無污染的特點。人類面臨的能源、環境兩大緊迫問題使風能的利用日益受到重視。我國的風能資源豐富，可利用的潛能很大，大力發展風、水電是我國長期的能源政策。而其中風電是可再生能源中最具發展潛力和商業開發價值的能源方式。從 20 世紀 80 年代問世的現代并網風力發電機組，只經過 30 多年的發展，世界上 已 有近 50 個國家開發建設了風電場 (是前期總數的 3 倍 )， 2020 年底，風電場總裝機容量約 31128 兆瓦 (是前期總數的 300 倍 )。 2020 年以來，全球風電累計裝機容量年平均增長率為 %，新增裝機容量年平均增長率為 %，保持著世界增長最快能源的地位。 2020 年全球裝機容量達 196630MW，新裝機容量 37642MW，比去年同期增長 %。 目前，德國、西班牙和意大利三國的風電機組的裝機容量約占到歐洲總量的 65%。近年來，在歐洲大力發展風電產業的國家還有法國、英國、葡萄牙、丹麥、荷蘭、奧地利、瑞典、愛爾蘭。歐洲之外，發展風電的主要國家有美國、中國、印度、加拿大和日本。迄今為止，世界上已有 82 個國家在積極開發和應用風能資源。 海上風力資源條件優于陸地，將風電場從陸地向近海發展在歐洲已經成為一種新的趨勢。有 人把風電的發展規劃為 3 步曲，陸上風電技術（當前技術）一近海風電技術（正研發技術）一海上風電技術（未來發展方向）。 2020 年北美的裝機容量有顯著下降，美國年度裝機容量首度不及中國；多數西歐國家風能發展處于飽和階段，但風能產業在東歐國家得到顯著發展；非洲風能發展主要集中在北非。 隨著海上風電的迅速發展，單機容量為 3 6MW 的風電機組已經開始進行商業化運行。美國 7MW 風電機組已經研制成功，正在研制 10MW 機組；英國 10MW 機組也正在進行設計，挪威正在研制 14MW 的機組，歐盟正在考慮研制 20MW 的風電機組，全 球各主要風電機組制造廠家都在為未來更大規模的海上風電場建設做前期開發。 世界上風力發電的現狀 近年來，世界風電發展持續升溫，速度加快。現主要以德國、西班牙、丹麥和美國的一些公司為代表，大規模地促進了風電產業化和風機設備制造業的發展。經過四、五年時間的整合，國際上風機制造業大約有十幾家比較好的大企業。 2020 年底，全世界風電是3800 萬千瓦左右，而 2020 年一年就增加了 400 多萬千瓦，僅德國到 2020 年底的裝機容量就有 1600 萬千瓦，其次是西班牙、美國、丹麥等國。國外風電 的發展趨勢，一是發展速度加快 ，二是風機機組從小型化向大型化發展 ,海上風電廠是下一步發展的主流。 2 全世界風力發電總裝機容量 :1981 年為 105 萬 kW,1994 年為 350 萬 kW,1995 年達到 490萬 kW,1996 年底為 607 萬 kW,1997 年升至 780 萬 kW,1998 年已達到 萬 kW,2020 年 5月已超過 1429 萬 kWa 德國風力發電在裝機容量方面居于世界領先地位， 2020 年 5 月已達到 4635 萬 kW。丹麥是開發風電最早的國家，而且當前在風力發電技術和生產方面等仍處于領先地位，全國裝機容量 148 萬 kW，占發電總裝機容量的 5%以上。國 際上許多國家都制定了新世紀的風力發電計劃，歐洲風能協會己制定出 2020 年歐洲風能裝機容量 lOSMW 的目標，并寫入了歐共體關于可再生能源的白皮書 。歐洲風能委員會 CEWER)對I99I 年歐洲風能發展目標作了修改，新的 EWEA 目標是 :歐洲風力發電機裝機容量到 2020年約為 8000MW,2020 年為 100000MW。歐洲風能協會和丹麥能源與發展論壇的研究報告表明 :在 20 年內風力發電可以滿足世界電力需求量的 10%。 我國風力發電的現狀 風能資源作為一種可再生能源取之不盡，中國更是風能大國，據統計中 國風能的技術開發量可達 3 億千瓦 6 億千瓦，而且中國風能資源分布集中，有利于大規模的開發和利用。據考察中國的風能資源主要集中在兩個帶狀地區，一條是“三北（東北、華北、西北）地區豐富帶”即西北、華北和東北的草原和戈壁地帶；另一條是“沿海及其島嶼地豐富帶”，即東部和東南沿海及島嶼地帶。這些地區一般都缺少煤炭等常規能源并且在時間上冬春季風大、降雨量少，夏季風小、降雨量大，而風電正好能夠彌補火電的缺陷并與水電的枯水期和豐水期有較好的互補性。 80 年代初， 200 千瓦風機的研制開發工作開始實施。從 90年代初期在山東容城建設 了第一個商業化風力發電廠， 到 2020 年底，中國以約 萬千瓦的累積風電裝機容量首次超越美國位居世界第一，較 2020 年同比大增 62%。按照國家電網此前出具的研究報告，到 2020 年，電網覆蓋范圍內可吸納風電上網的規模達 1 億千瓦，到 2020 年可達 億千瓦。 受國際風電發展大型化趨勢的驅使，國內風電機組技術取得了不俗的成果。 2020 年，中國風電場新安裝的 MW 級風電機組（≥ 1MW）僅占當年新增裝機容量的 %。隨著國內企業 MW 級風電機組產量的增加， 2020 年 MW 級風電機組的裝機容量占到當年新增市場的 51%， 2020 年占到 %， 2020 年占到 %。 2020年中國在多 MW 級（≥ 2MW）風電機組研制方面取得新的成果，如金風科技股份有限公司研制的 和 3MW 的風電機組已在風電場投入試運行；華銳風電科技股份有限公司研制的 3MW 海上風電機組已在東海大橋海上風電場并網發電；由沈陽 工業 大學研制的3MW 風電機組也已經成功下線。此外，中國華銳、金風、東汽、海裝、湘電等企業已開始研制單機容量為 5MW 的風電機組。中國開始 全面邁進多 MW 級風電機組研制的領域。2020 年，國際上公認中國很難建成自主化的海上風電項目，然而，華銳風電科技集團中標的上海東海大橋項目，用完全中國自主的技術和產品，用兩年的時間實現了裝機，并于 2020年成功投產運營，令世界風電行業震驚。 報告預測， 2020 年，中國風電裝機量很可能達到 千兆瓦，在 2020 年達到 17 千兆瓦， 2020 年達到 18 千兆瓦。按照這個增長速度，中國在 2020 年末風電并網裝機達到 13 億千瓦的目標將提前一年實現。 風力發電系統電氣控制技術是風力發電在控制領域的關鍵技術。 論文 主要內容的簡介 風力發電機組控制系統工作的安全可靠性已成為風力發電系統能否發揮作用，甚至成為風電場長期安全可靠運行的重大問題。在實際應用過程中，尤其是一般風力發電機組控制與檢測系統中 ,控制系統滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的。往往不是控制系統功能而是它的可靠性直接影響風力發電機組的聲譽。有的風力發電機組控制系統的功能很強 ,但由于工作不可靠 ,經常出故障 ,而出現故障后對一般用戶來說維修又十分困難，于是這樣一套控制系統可能發揮不了它應有的作用。因此對于一個風力發電機組控制系統的設計和使用者來說 ,系統的安全可靠 性必須認真加以考慮 ,必須引起足夠的重視。 我們的目的是希望通過控制系統的設計，采取必要的手段使我們的系統在規定的時間內不出故障或少出故障，并且在出故障之后能夠以最快的速度修復系統 ,使之恢復正常工作。 4 2 風力發電系統的基本原理 風力發電的基本原理 風力發電的基本原理 風能具有一定的動能，通過風輪機將風能轉化為機械能，拖動發電機發電。 風力發電的原理是利用風帶動風車葉片旋轉 ， 再 通 過增速 器 將旋轉的速度提 高 來促使發電機發電的 。依據目前的風車技術 ， 大約 3m/s 的 微風速度便可以開始發電。 風力發電的原理說起來非常簡單 ，最簡單的風力發電機可由葉片 和發電機兩部分構成如圖 11所示。空氣流動的動能作用在葉輪上 ， 將動能轉換成機械能 ， 從而推動 片 葉旋轉 ， 如果將葉輪的轉軸與發電機的轉軸相連就會帶動發電機發出電來。 風力發電的特點 （ 1）可再生的潔凈能源 風力發電是一種可再生的潔凈能源，不消耗化石資源也不污染環境，這是火力發電所無法比擬的優點。 （ 2）建設周期短 一個十兆瓦級的風電場建設期不到一年。 （ 3）裝機規模靈活 可根據資金情況決定一次裝機規模，有一臺資金就 可以安裝一臺投產一臺。 （ 4）可靠性高 把現代高科技應用于風力發電機組使其發電可靠性大大提高，中、大型風力發電機組可靠性從 80 年代的 50%提高到了 98%，高于火力發電且機組壽命可達 20 年。 （ 5）造價低 從國外建成的風電場看，單位千瓦造價和單位千瓦時電價都低于火力發電，和常規能源發電相比具有競爭力。我國由于中大型風力發電機組全部從國外引進，造價和電價相對比火力發電高，但隨著大中型風力發電機組實現國產化、產業化，在不久的將來風力發電的造價和電價都將低于火力發電。 （ 6）運行維護簡單 5 現代中大型風力發電機的自 動化水平很高，完全可以在無人職守的情況下正常工作，只需定期進行必要的維護，不存在火力發電的大修問題。 （ 7）實際占地面積小 發電機組與監控、變電等建筑僅占火電廠 1%的土地，其余場地仍可供農、牧、漁使用。 （ 8）發電方式多樣化 風力發電既可并網運行，也可以和其他能源如柴油發電、太陽能發電、水利發電機組形成互補系統，還可以獨立運行，因此對于解決邊遠地區的用電問題提供了現實可行性。 （ 9）單機容量小 由于風能密度低決定了單臺風力發電機組容量不可能很大，與現在的火力發電機組和核電機組無法相比。另外風況是不穩定的，有 時無風有時又有破壞性的大風，這都是風力發電必須解決的實際問題。 風資源及風輪機 概述 風資源概述 （ 1）風的起源 風的形成乃是空氣流動的結果。風就是水平運動的空氣 ， 空氣運動主要是由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強度不同而形成的。大氣的流動也像水流一樣 ， 是從壓力高處往壓力低處流 ， 太陽能正是形成大氣壓差的原因。由于地球自轉軸與圍繞太陽的公轉軸之間存在 66． 5176。 的夾角 ， 因此對地球上不同地點太陽照射角度是不同的 ， 而且對 同一地點一年中這個角度也是變化的。地球上某處所接受的太陽輻射能 與該地點太陽 照射角的正弦成正比。 （ 2）風的參數 風向和風速是兩個描述風的重要參數。風向是指風吹來的方向 ， 如果風是從 東 方吹來就稱為 東 風。風速是表示風移動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離。 風速是指某一高度連續 10min 所測得各瞬時風速的平均值。一般以草地上空 10m高 處的 10min 內風速的平均值為參考。 風玫瑰圖是一個給定地點一段時間內的風向分布圖。通過它可以得知當地的主導風向。 （ 3）風能的基本情況 [1] ○ 1 風能的特點 風能的特點主要有：能量密度低 、 不穩定性 、 分布不均勻 、 可再生 、 須在 有風地帶 、無污染 、 分布廣泛 、 可分散利用 、 另外不須能源運輸 、 可和其它能源相互轉換等。 ○ 2 風能資源的估算 6 風能的大小實際就是氣流流過的動能 ， 因此可以推導出氣流在單位時間內垂直流過單位截面積的風能 ， 即風功率為 V??? (11) 式中 ? 為風能 (w)； ? 為空氣密度 (kg/m )； v 為風速 (m/s)。 由于風速是一個隨機性很大的量 ， 必須通過一段時間的觀測來了解它的平均狀況 ， 一個地方風能潛力的多少要視該地常年平均風能密度的大小。因此需要求出在一段時間內的平均風能密度 ， 這個值可以將風能密度公式對時間積分后平均來求得。在風速 V 的概率分布 p(V)知道后 ， 平均風能密度還可根據下式求得 30. 5 ( )V P V dV??? （ 12） 風輪機 的 理論 [4] 風輪 機又稱 為 風車 ， 是一種將風能轉換成機械能、電能或熱能的能量轉換裝置。風輪機的類